CN106548936B - 一种金属层的刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金属层的刻蚀方法，涉及半导体技术领域，能够实现对金属层较精细的刻蚀，提高刻蚀后金属层表面的平滑度和均匀度。该方法包括：步骤S1：采用氧化性气体对待刻蚀的金属层进行氧化，将金属层的表层氧化成金属氧化层；步骤S2：采用刻蚀气体对金属氧化层进行刻蚀，去除金属氧化层；循环执行步骤S1和步骤S2，直至金属层的厚度为所需要的厚度为止。上述方法用于刻蚀金属层。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种金属层的刻蚀方法。
背景技术
金属层的干法刻蚀工艺是广泛应用于半导体技术领域的一种基本工艺。以Al层的干法刻蚀为例，由于AlCl3(三氯化铝)在真空下的沸点约为50℃，具有挥发性，因此一般刻蚀Al层采用的是Cl2(氯气)。通过将Cl2气通入刻蚀的反应腔室中，将反应腔室内的各项工艺参数(如：腔室内压力、腔室温度、上电极射频功率、下电极射频功率、气体流量等)调整至刻蚀所需要的值，使Cl2与Al反应生成可挥发的AlCl3，形成对Al层的刻蚀。
但是由于金属层中所包含的化学键为金属键，金属键的键能较小，因此金属层的刻蚀在Cl2的参与下极易进行，刻蚀速率较快，会达到1000nm/min左右，这造成无法对金属层进行精细的刻蚀，导致最终所得到的金属层表面粗糙、均匀性较差，进而使包含金属层的半导体器件(如：功率器件、MEMS(Micro Electromechanical System，微机电系统)传感器件等)的性能无法得到进一步优化。
发明内容
为克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种金属层的刻蚀方法，以解决采用Cl2刻蚀的方法无法对金属层进行精细刻蚀，造成刻蚀后金属层表面粗糙、均匀性差的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种金属层的刻蚀方法，包括：步骤S1：采用氧化性气体对待刻蚀的金属层进行氧化，将金属层的表层氧化成金属氧化层；步骤S2：采用刻蚀气体对所述金属氧化层进行刻蚀，去除所述金属氧化层；循环执行步骤S1和步骤S2，直至金属层的厚度为所需要的厚度为止。
本发明的上述技术方案中，首先将待刻蚀的金属层的表层氧化成金属氧化物层，然后刻蚀去除该金属氧化物层，使金属层的厚度减薄，通过循环执行前述过程，达到逐步刻蚀金属层，使金属层的厚度逐步减薄至所需要的厚度的目的。相比于现有技术中直接对金属层进行刻蚀的方法，本发明所提供的刻蚀方法中被刻蚀的膜层为金属氧化物层，金属氧化物层所含化学键的键能大于金属键的键能，相对于金属，刻蚀气体比较不容易与金属氧化物发生反应，因此本发明所提供的刻蚀方法中刻蚀速度减慢，并且本发明所提供的刻蚀方法将现有技术中连续刻蚀的方式更改为氧化和刻蚀循环进行的逐步刻蚀的方式，从而能够对金属层进行较精细的刻蚀，提高了刻蚀后金属层表面的平滑度和均匀度。
基于上述技术方案，一个可选的技术方案为，所述步骤S1具体为：采用氧气对待刻蚀的金属层进行氧化，将金属层的表层氧化成金属氧化层。
进一步的，在进行所述步骤S1时，气体压力可为15mT～50mT，上电极射频功率可为300W～1000W，下电极射频功率可为20W～100W，氧气的气体流量可为50sccm～200sccm，温度可为0～20℃。
在所述步骤S1的上述工艺条件下，所述步骤S1的持续时间可为29s～31s。
基于上述可选的技术方案，所述步骤S2具体可为：采用三氯化硼气体对所述金属氧化层进行刻蚀，去除所述金属氧化层。
进一步的，在进行所述步骤S2时，气体压力可为3mT～15mT，上电极射频功率可为600W～2000W，下电极射频功率可为150W～600W，三氯化硼气体的气体流量可为100sccm～150sccm，温度可为0～20℃。
在所述步骤S2的上述工艺条件下，所述步骤S2的持续时间为5s～7s。
在上述各项中，所述金属层可为铝层。
优选的，所述刻蚀气体与所述金属氧化层的反应生成物均为挥发性气体。
优选的，在所述步骤S2中，所述刻蚀气体不对所述金属氧化层下方的金属层形成刻蚀。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例所提供的金属的刻蚀方法的流程图；
图2为本发明实施例所提供的金属的刻蚀方法中一个循环的步骤图；
附图标记说明：1-Al层；2-Al2O3层。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种金属层的刻蚀方法，如图1所示，该刻蚀方法包括：步骤S1：采用氧化性气体对待刻蚀的金属层进行氧化，将金属层的表层氧化成金属氧化层；步骤S2：采用刻蚀气体对该金属氧化层进行刻蚀，去除该金属氧化层；循环执行步骤S1和步骤S2，直至金属层的厚度为所需要的厚度为止。
上述金属层的刻蚀方法中，首先将待刻蚀的金属层的表层氧化成金属氧化层，然后刻蚀去除该金属氧化层，使金属层的厚度减薄，通过循环执行氧化和刻蚀的步骤，最终能够使金属层的厚度被逐步减薄，最终获得具有所需要厚度的金属层，完成对金属层的刻蚀。由于本实施例所提供的刻蚀方法中，将现有技术中直接对金属进行刻蚀的方式更改为先将金属层表层氧化然后对金属氧化层进行刻蚀的方式，金属氧化物的键能大于金属键的键能，因此金属氧化物相对于金属比较不容易被刻蚀掉，使得本实施例所提供的刻蚀方法刻蚀速率减慢，同时由于将现有技术中对金属层进行连续刻蚀的方式更改为氧化和刻蚀循环进行的逐步刻蚀的方式，因此实现了对金属层较精细的刻蚀，提高了刻蚀后金属层表面的平滑度和均匀度，进而优化了包含金属层的半导体器件的电性能。
需要说明的是，在去除金属氧化物层后，判断剩余金属层的厚度是否达到所需要的厚度可采用以下方式实现：根据金属层需要被去除掉的厚度与一次循环(即依序执行一次步骤S1和步骤S2)金属层被去除的厚度，得到需要进行的循环的次数，在判断金属层是否达到所需要厚度时，通过判断当前已经进行的循环的次数是否达到需要进行的次数，就能够得知当前金属层是否达到所需要的厚度。在这种判断方式中，利用所进行的循环的次数来表征被去除的厚度，以此决定是否结束刻蚀进程，这种判断方式具有较强的可实现性，且简单、便捷。
需要进一步说明的是，得到需要进行的循环的次数可采用以下方式实现：通过预先设定好的工艺参数计算在步骤S1中被氧化的金属层表层的厚度d，由于该厚度d与氧化形成的金属氧化层的厚度相同，经过步骤S2后，厚度为d的金属氧化层被去除，因此一次循环(即依序执行一次步骤S1和步骤S2)金属层被去除的厚度为d；将待刻蚀的金属层的厚度(即未进行刻蚀前金属层原本的厚度)与所需要的金属层的厚度作差，所得到的差值为金属层需要被去除掉的厚度D；将金属层需要被去除掉的厚度D与一次循环金属层被去除的厚度为d作商，得到的数值即为需要进行的循环的次数。
在本发明的其它实施例中，也可通过实际测量金属层的厚度的方式来判断金属层的厚度是否达到所需要的厚度，这种判断方式更直接、精准，且能够及时的得知金属层的厚度变化，进而能够在生产过程中对工艺参数进行有针对性的优化调整。
本实施例中，可根据对金属层表面平滑度和均匀度的要求与对生产效率的要求对需要进行的循环的次数进行设计。具体的，若对金属层表面平滑度和均匀度的要求较高，对生产效率的要求不是很严格，则可适当减小在步骤S1中被氧化的金属层表层的厚度d，使得一次循环金属层被去除的厚度为d减小，进而增多循环进行的次数，加强对金属层刻蚀的精细程度，提高金属层表面平滑度和均匀度。若对生产效率的要求较高，对金属层表面平滑度和均匀度的要求不是很严格，则可适当增大在步骤S1中被氧化的金属层表层的厚度d，使得一次循环金属层被去除的厚度为d增大，进而减少循环进行的次数，加快金属层刻蚀的进程，提高生产效率。
在本实施例所提供的刻蚀方法中，对步骤S1中所选用的氧化性气体并不进行具体限定，例如可选用O2气(氧气)，此时2步骤S1具体可为：采用O2气对待刻蚀的金属层进行氧化，将金属层的表层氧化成金属氧化层。
基于上述所选用的氧化性气体为O2气的技术方案，在进行步骤S1时，各工艺参数可根据对金属层表面平滑度和均匀度的要求与对生产效率的要求进行设计，若对金属层表面平滑度和均匀度的要求较高，对生产效率的要求不是很严格，则工艺参数的设置应当使进行一次步骤S1所氧化的金属层表层的厚度d较小，以增多循环进行的次数；若对生产效率的要求较高，对金属层表面平滑度和均匀度的要求不是很严格，则工艺参数的设置应当使进行一次步骤S1所氧化的金属层表层的厚度d较大，以减少循环进行的次数。
下面提供一种优选的工艺参数的配方：腔室内的压力为15mT～50mT，温度为0～20℃，上电极射频功率为300W～1000W，下电极射频功率为20W～100W，O2气的气体流量为50sccm～200sccm；步骤S1的持续时间为29s～31s，优选为30s。
本实施例对步骤S2中所选用的刻蚀气体也并不具体限定，为避免采用刻蚀气体对金属氧化层进行刻蚀时的反应生成物留存在金属层上，阻碍刻蚀的进一步进行，步骤S2中所选用的刻蚀气体最好满足以下要求：刻蚀气体与金属氧化层的反应生成物均为挥发性气体，以将金属氧化层中的原子通过挥发性气体带走，保证对金属氧化层的刻蚀顺利进行。
步骤S2中所选用的刻蚀气体例如可为BCl3气体(三氯化硼气体)，此时步骤S2具体可为：采用BCl3气体对金属氧化层进行刻蚀，去除金属氧化层。在此过程中，BCl3气体与金属氧化物发生反应，生成挥发性气体，将金属氧化物中的原子通过挥发性气体带走。
在步骤S2中，比较优选的是，刻蚀气体不对或者几乎不对金属氧化层下方的金属层形成刻蚀，以保证金属层中需要被去除的金属能够全部通过先氧化再刻蚀的方式被去除，进一步提高对金属层刻蚀的精细程度。
刻蚀气体不对或者几乎不对金属氧化层下方的金属层形成刻蚀可通过刻蚀气体的选择和工艺参数的设置实现。基于上述所选用的刻蚀气体为BCl3气体的技术方案，在进行步骤S2时，各工艺参数优选的可采用以下配方：腔室内的压力为3mT～15mT，温度为0～20℃，上电极射频功率为600W～2000W，下电极射频功率为150W～600W，BCl3气体的气体流量为100sccm～150sccm；步骤S2的持续时间优选的可为5s～7s，更优选为6s。在此配方下，刻蚀速率较慢，刻蚀气体不会对或者几乎不会对金属氧化层下方的金属层形成刻蚀。
本实施例所提供的刻蚀方法能够实现对多种金属的精细刻蚀，下面以所可使的金属层为Al层为例对本实施例所提供的刻蚀方法进行详细的介绍(参见图2)。
步骤S1：初始时Al层1的厚度为H，通入O2气，使Al层处于O2气环境下，Al层的表层形成Al2O3层。
本步骤中，将Al层的表层形成Al2O3层的过程可称为启辉处理。优选的可将腔室内的压力设置为15mT～50mT，温度设置为0～20℃，上电极射频功率设置为300W～1000W，下电极射频功率设置为20W～100W，O2气的气体流量设置为50sccm～200sccm。
在上述工艺条件下，可将步骤S1的持续时间设定为30s，则在本步骤中会有厚度d为5nm的表层的Al被氧化，即Al2O3层的厚度为5nm。
步骤S2：通入BCl3气体，对Al2O3层进行刻蚀。
本步骤中，BCl3气体被电离为BCl和Cl离子，其中BCl会与Al2O3中的Al生成AlCl3，Cl离子会和Al2O3中的O生成BOCl，AlCl3和BOCl均为气态，因此不会对Al2O3的刻蚀形成阻碍，保证了刻蚀反应的顺利进行。
进行本步骤时，优选的可将腔室内的压力设置为3mT～15mT，温度设置为0～20℃，上电极射频功率设置为600W～2000W，下电极射频功率设置为150W～600W，BCl3气体的气体流量设置为100sccm～150sccm。在前述工艺条件下，对Al2O3层的刻蚀速率为50nm/min，在这样的刻蚀速率下，BCl3气体对Al2O3层下方的Al层是基本刻蚀不动的。
基于上述刻蚀速率，要刻蚀完5nm厚的Al2O3层需要6s(5nm/50(nm/min)＝6s)，因此可将步骤S2的持续时间设置为6s，这样既能够将Al2O3层完全去除，又不会对Al2O3层下方的Al层构成损伤。
经过步骤S1和步骤S2，完成了一次循环，一次循环共用时36s(30s+6s＝36s)，去除掉5nm厚的Al层，平均刻蚀速率约为8nm/min(5nm/36s≈8.33(nm/min))，这一刻蚀速率达到了纳米级别，由于Al原子的尺寸也为纳米级别，因此上述刻蚀过程实现了Al原子层级别的刻蚀，刻蚀精度较高。
在完成一次循环之后，判断剩余的Al层的厚度是否达到所需要的厚度，如果是，则结束刻蚀，如果否，则进行下一次循环，即执行步骤S1和步骤S2。
需要说明是，本实施例中所述的“初始时Al层1的厚度为H”中的“H”为一个逐步减小的变量，是指在下一次循环开始之前Al层的厚度。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种金属层的刻蚀方法，其特征在于，包括：
步骤S1：采用氧化性气体对待刻蚀的金属层进行氧化，将金属层的表层氧化成金属氧化层，所述金属氧化层所含化学键的键能大于金属键的键能，以降低刻蚀速率；
步骤S2：采用三氯化硼气体对所述金属氧化层进行刻蚀，去除所述金属氧化层；所述三氯化硼气体与所述金属氧化层的反应生成物均为挥发性气体；在进行所述步骤S2时，腔室内的压力为3mT～15mT，温度为0～20℃，上电极射频功率为600W～2000W，下电极射频功率为150W～600W，三氯化硼气体的气体流量为100sccm～150sccm；
循环执行步骤S1和步骤S2，直至金属层的厚度为所需要的厚度为止。
2.根据权利要求1所述的金属层的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：采用氧气对待刻蚀的金属层进行氧化，将金属层的表层氧化成金属氧化层。
3.根据权利要求2所述的金属层的刻蚀方法，其特征在于，在进行所述步骤S1时，腔室内的压力为15mT～50mT，温度为0～20℃，上电极射频功率为300W～1000W，下电极射频功率为20W～100W，氧气的气体流量为50sccm～200sccm。
4.根据权利要求3所述的金属层的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤S1的持续时间为29s～31s。
5.根据权利要求1所述的金属层的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤S2的持续时间为5s～7s。
6.根据权利要求1～5任一项所述的金属层的刻蚀方法，其特征在于，所述金属层为铝层。
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